Hur man demodulerar digital fasmodulering

Radiofrekvensdemodulering
Lär dig hur du extraherar de ursprungliga digitala data från en fasskift-nyckelform.

På de två föregående sidorna diskuterade vi system för att utföra demodulering av AM- och FM-signaler som bär analoga data, såsom (icke-digitaliserat) ljud. Nu är vi redo att titta på hur vi kan återställa originalinformation som har kodats via den tredje allmänna moduleringen, nämligen fasmodulering.

Emellertid är analog fasmodulering inte vanligt, medan digital fasmodulering är mycket vanligt. Således är det mer meningsfullt att utforska PM-demodulering i samband med digital RF-kommunikation. Vi kommer att utforska detta ämne med binär fasskiftnyckling (BPSK); emellertid är det bra att vara medveten om att quadrature phase shift keying (QPSK) är mer relevant för moderna trådlösa system.

Som namnet antyder representerar binär fasskiftnyckling digitala data genom att tilldela en fas till binär 0 och en annan fas till binär 1. De två faserna separeras med 180 ° för att optimera demoduleringsnoggrannheten - mer separering mellan de två fasvärdena gör det enklare för att avkoda symbolerna.

Multiplicera och integrera — och synkronisera
En BPSK-demodulator består huvudsakligen av två funktionella block: en multiplikator och en integrator. Dessa två komponenter kommer att producera en signal som motsvarar den ursprungliga binära datan. Emellertid behövs också synkroniseringskretsar, eftersom mottagaren måste kunna identifiera gränsen mellan bitperioder. Detta är en viktig skillnad mellan analog demodulering och digital demodulering, så låt oss titta närmare.

 

Vid analog demodulering har signalen inte riktigt en början eller ett slut. Föreställ dig en FM-sändare som sänder en ljudsignal, dvs en signal som kontinuerligt varierar beroende på musik. Föreställ dig nu en FM-mottagare som från början är avstängd. 

Användaren kan slå på mottagaren när som helst, och demoduleringskretsarna börjar extrahera ljudsignalen från den modulerade bäraren. Den extraherade signalen kan förstärkas och skickas till en högtalare, och musiken låter normalt. 

Mottagaren har ingen aning om ljudsignalen representerar början eller slutet på en låt, eller om demoduleringskretsarna börjar fungera i början av ett mått, eller rätt på takten, eller mellan två slag. Det spelar ingen roll; varje momentan spänningsvärde motsvarar ett exakt ögonblick i ljudsignalen, och ljudet skapas om när alla dessa momentana värden inträffar i följd.

Med digital modulering är situationen helt annorlunda. Vi har inte att göra med omedelbara amplituder utan snarare en amplitudsekvens som representerar en diskret information, nämligen ett tal (en eller noll). 

Varje amplitudsekvens - kallad en symbol med en varaktighet som är lika med en bitperiod - måste skiljas från föregående och följande sekvenser: Om programföretaget (från exemplet ovan) använde digital modulering och mottagaren startade och började demodulera vid en slumpmässig tidpunkt, vad skulle hända? 

Tja, om mottagaren råkar började demodulera mitt i en symbol, skulle den försöka tolka hälften av en symbol och hälften av följande symbol. Detta skulle naturligtvis leda till fel; en logik-en-symbol följt av en logik-noll-symbol skulle ha en lika chans att tolkas som en eller noll.

Därför måste synkronisering då vara en prioritet i alla digitala RF-system. En enkel metod för synkronisering är att föregå varje paket med en fördefinierad "träningssekvens" som består av växlande nollsymboler och en symbol (som i diagrammet ovan). Mottagaren kan använda dessa en-noll-en-noll-övergångar för att identifiera den tidsmässiga gränsen mellan symbolerna, och sedan kan resten av symbolerna i paketet tolkas ordentligt helt enkelt genom att använda systemets fördefinierade symbolvaraktighet.

Effekten av multiplikation
Som nämnts ovan är ett grundläggande steg i PSK-demodulering multiplikation. Mer specifikt multiplicerar vi en inkommande BPSK-signal med en referenssignal med frekvens som är lika med bärfrekvensen. Vad gör detta? Låt oss titta på matematiken; först identifierar produkten två sinusfunktioner:

 

Om vi ​​förvandlar dessa generiska sinusfunktioner till signaler med en frekvens och fas, har vi följande:

Förenkling har vi:

Så när vi multiplicerar två sinusoider med samma frekvens men olika fas, är resultatet en sinus med dubbelt frekvensen plus en förskjutning som beror på skillnaden mellan de två faserna. 

Förskjutningen är nyckeln: Om fasen för den mottagna signalen är lika med referenssignalens fas, har vi cos (0 °), vilket är lika med 1. Om fasen för den mottagna signalen är 180 ° skiljer sig från fasen för referenssignalen har vi cos (180 °), vilket är –1. Således kommer multiplikatorns utgång att ha en positiv DC-offset för ett av de binära värdena och en negativ DC-offset för det andra binära värdet. Denna förskjutning kan användas för att tolka varje symbol som en noll eller en.

Bekräftelse av simulering
Följande BPSK-modulerings- och demoduleringskrets visar hur du kan skapa en BPSK-signal i LTspice:

Två sinuskällor (en med fas = 0 ° och en med fas = 180 °) är anslutna till två spänningsstyrda omkopplare. Båda omkopplarna har samma fyrkantsvågsstyrsignal, och mot- och avståndsmotståndet är konfigurerade så att en är öppen medan den andra är stängd. "Output" -terminalerna för de två omkopplarna är bundna ihop, och op-amp-bufferten buffrar den resulterande signalen, som ser ut så här:




Därefter har vi en referenssinoid (V4) med frekvens som är lika med frekvensen för BPSK-vågformen, och sedan använder vi en godtycklig beteendespänningskälla för att multiplicera BPSK-signalen med referenssignalen. Här är resultatet:




Som ni ser är den demodulerade signalen dubbelt så mycket som frekvensen för den mottagna signalen, och den har en positiv eller negativ DC-offset enligt fasen för varje symbol. Om vi ​​sedan integrerar denna signal med avseende på varje bitperiod kommer vi att ha en digital signal som motsvarar originaldata.

Koherent upptäckt
I detta exempel synkroniseras fasen i mottagarens referenssignal med fasen för den inkommande modulerade signalen. Detta kan lätt åstadkommas i en simulering; det är betydligt svårare i verkligheten. Som diskuteras på denna sida under "Differential Encoding" kan vanlig fasskiftnyckling inte användas i system som är föremål för oförutsägbara fasskillnader mellan sändare och mottagare. 

Om till exempel mottagarens referenssignal är 90 ° ur fas med sändarens bärare kommer fasskillnaden mellan referensen och BPSK-signalen alltid att vara 90 °, och cos (90 °) är 0. Därmed är DC-offset förlorat, och systemet är helt funktionsdugligt.

Detta kan bekräftas genom att ändra fasen för V4-källan till 90 °; här är resultatet:

Sammanfattning
* Digital demodulation kräver synkronisering av bitperioden; mottagaren måste kunna identifiera gränserna mellan angränsande symboler.

* Bina-fasskift-nyckelsignaler kan demoduleras via multiplikation följt av integration. Referenssignalen som används i multiplikationssteget har samma frekvens som sändarens bärare.

* Vanlig fasskiftnyckling är endast tillförlitlig när fasen i mottagarens referenssignal kan upprätthålla synkronisering med sändarens bärare.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC